岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (3): 800-812.doi: 10.16285/j.rsm.2020.0903

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水平盐穴中压气蓄能储库关键顶板稳定性研究

张桂民1, 2, 3，王贞硕1, 4，刘俣轩1，罗宁1，董纪伟1   

  1. 1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116； 3. 滑铁卢大学 地球与环境科学系，加拿大 滑铁卢；4. 东北大学 理学院，辽宁 沈阳 110819
  • 收稿日期:2020-06-28 修回日期:2020-12-29 出版日期:2021-03-11 发布日期:2021-03-17
  • 作者简介:张桂民，男，1985年生，博士，副教授，主要从事层状盐岩力学性质及盐穴中能源储备方面的研究工作
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目（No.41877277）；国家留学基金资助项目（No.201906425005）。

Research on stability of the key roof above horizontal salt cavern for compressed air energy storage

ZHANG Gui-min1, 2, 3, WANG Zhen-shuo1, 4, LIU Yu-xuan1, LUO Ning1, DONG Ji-wei1   

  1. 1. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 3. Earth and Environmental Sciences, University of Waterloo, Waterloo, Canada; 4. College of Sciences, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China
  • Received:2020-06-28 Revised:2020-12-29 Online:2021-03-11 Published:2021-03-17
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(41877277) and the Fund of China Scholarship Council(201906425005).

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摘要： 在盐穴中建设压气蓄能电站是解决风/光能源发电并网以及电网调峰的重要手段之一。近年来，为了充分利用中国层状盐岩资源，提出了建设水平腔体储库的方案。然而，水平腔体在拥有更大储库空间的同时，亦带来了更大跨度的顶板，可能因损伤破坏成为气体泄漏的通道。确定了层状盐岩上覆的泥质硬石膏层为水平腔体稳定与否的关键顶板，分析了其受力状态和可能的失稳类型；基于线性规划的方法确定了压气蓄能内压范围及埋深的可行域；利用数值模拟的方法，研究了水平腔体压气蓄能储库顶板稳定性及其影响因素。结果表明：循环内压上限是关键顶板稳定性的主要决定因素，宜小于原位地应力的75%，但不宜小于60%；水平腔体尺寸的增大，会增加泥质硬石膏顶板的下沉量、塑性区的范围和体积，改变腔体的体积收缩率，需要综合确定最优值；增大保留盐层厚度，可以降低关键顶板的下沉量和塑性区体积，但却会增加体积收缩率，同时也不利于层状盐岩资源的充分利用。

关键词: 层状盐岩, 压气蓄能, 水平腔体, 关键顶板, 稳定性

Abstract: The construction of compressed air energy storage power stations in salt caverns is one of the important means to solve the problem of wind/solar energy generation, grid connection and grid peak regulation. In recent years, in order to make full use of the bedded salt formations in China, the option of building horizontal caverns has been proposed. However, horizontal caverns bring us not only more cavern space but also larger roofs, which may become a gas leakage channel due to deformation, failure and even cracking. In this study, the argillaceous anhydrite layer above bedded salt formations is identified as the key roof which controls the stability of horizontal cavern, and its stress state and possible types of instability are analyzed. Additionally, based on the linear planning method, a feasible range of internal pressures and the depths of the cavern for compressed air energy storage are determined. Finally, stability and influent factors are analyzed in detail by numerical simulation. The results reveal that (1) the maximum operating internal pressure is the main determinant of the stability of key roof. The maximum internal pressure should be less than 75% of the original gravitational stress, but not less than 60%. (2) The increase of the cavern dimensions will enlarge the displacement and plastic zone of the key roof, and change the volume shrinkage of the cavern, which requires comprehensive optimization. (3) Increasing the thickness of the protective salt layer can reduce the subsidence and the plastic zone volume of the key roof but increase the volume shrinkage, which is also not conducive to the full utilization of bedded salt resources.

Key words: bedded salt formations, compressed air energy storage, horizontal cavern, key roof, stability

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